看不见的东西，你怎么能知道它存在呢？通常它会留下一些迹象，比如，看到雪中的脚印，你便可以知道一定有个小动物从这里经过；即便清晨你还赖在**，什么都没看到，通过飘来的培根香气，你也知道一定有美味的早餐在等你；如果你看到窗外的街道上尽是水花四溅的水洼，即便雨滴小到看不清，你也知道外面一定正在下雨。暗物质的存在就是这样：你无法直接看到它，但是有一些迹象表明，宇宙中一定有什么看不见的东西。
丢失的物质：宇宙比看起来更重
物理学家第一次真正开始为宇宙称重的时候，他们就意识到了不对劲的地方。显然，他们没有称量大尺度的宇宙，而是凭借所谓的引力透镜效应，通过观察我们的银河系内外物质的分布情况进行推测：因为遥远的星系和我们之间隔着不少星系和黑洞，它们的图像显得比较扭曲。它们弯曲了空间和时间，因此也弯曲了光线的路径。所以，遥远的星系显得越扭曲，宇宙的质量就越大，其中的物质也越多。通过这种方法估算宇宙包含的物质总量之后，人们发现其与他们根据能看到的那些恒星和星系的量得到的结果相比有很大不同。就算把两个星系之间所有的尘埃和气体都算进去，还是少了很多质量：时空的弯曲程度显然超出了人们的预料。
于是，现在人们猜想，宇宙中一定存在大量的某种物质，它质量极大，因此弄弯了空间与时间，同时我们仅凭肉眼或者使用任何其他探测电磁辐射的方法都无法看见它。事实上，除了引力，它无法和其他任何一种力相互作用。因此，该物质具有完全的可穿透性——我们甚至无法触摸到它。
但有没有可能是科学家弄错了，估算出了本来并不存在的物质？或许引力透镜方程不对？理论上来说这是可能的，不过有独立的迹象表明，宇宙中一定存在我们看不见的物质。
一个迹象就是，星系外部区域的旋转速度比它们看起来应该具有的旋转速度快得多。不管星系是椭圆的还是不规则的，也不管它有没有旋臂，它都会像旋转木马一样旋转。如果星系只包含我们看得见的部分，那么离中心较远的恒星的速度应该比离中心较近的恒星慢得多。星系的旋转应该与我们的太阳系类似：靠外的土星和木星速度更慢，绕太阳一周需要的时间比靠里的行星（如水星或地球）更长。但就所有星系而言，情况并非如此。相反，边缘部分的星系和核心区域的旋转速度相等，就好像有许多无形的物质正以万有引力牵引着星系的外旋臂。
间接迹象就更多了，比如：如果缺少大量的不可见物质，那么全部可见物质的排列分布方式就很难解释得通。简单来说，如果宇宙中只有我们能看见的普通物质，那大爆炸之后这些物质就没有足够的时间排列成我们今天看到的样子了。其实，这些天体比它们原本应该呈现的样子要更集中。如果宇宙中额外存在一些不可见的物质，它们对可见物质产生了极大引力，如今的宇宙结构就好解释了。
寻找暗物质：它到底是什么？
关于如何解释这些现象，我们有几条建议。举例来说，改良的牛顿第二定律可以解释星系的反常旋转，但无法解释我们上文描述的其他奇怪情况。直到今天，对于所有这些现象，唯一的解释就是宇宙中存在一种奇怪的物质，它只能与引力相互作用，但无法（或者说只能非常有限地）和其他的力相互作用。这种假想的物质被命名为“暗物质”，不过，不管它是什么，它肯定说不上“暗”，反倒更像是透明的。
暗物质似乎能够穿过同类物质或其他类型的物质（换言之，它无法与电磁力相互作用）。暗物质存在的最佳证明便是子弹星系团：它由两个碰撞的星系团组成。通过背景中所有物质的引力透镜效应，我们可以推断出质量分布。质量中心与辐射物质的中心的位置完全不同。就好像两个星系团中的普通物质碰撞在一起，星系周围的暗物质却继续在它们原本的路径上运动，丝毫没有受到干扰。
我们可以在下面的照片中看到：红色代表着两个碰撞的星系团中的可见物质。它们穿过对方时形成了激波阵面（参考了一颗“子弹”的效果）。按照引力透镜的推断，蓝色部分代表着暗物质，它们正在穿过可见物质和彼此，并未受到干扰。
图20 两个碰撞的星系团，暗物质穿过可见物质和彼此。 图像提供（合成图像）：X光图：美国国家航空航天局（NASA）/钱德拉X射线中心（CXC）/哈佛-史密松森天体物理中心（CfA）/M.马科维奇等；透镜图及光学图：美国国家航空航天局（NASA）/太空望远镜科学研究所（STScI），大麦哲伦望远镜/亚利桑那州立大学/D.克洛韦等，及欧洲南方天文台（ESO）的广域成像仪（仅透镜图）。
那么这种暗物质到底是什么呢？在相当长一段时间里，物理学家们认为暗物质可能曾经是中微子。人们长期以来都不知道中微子到底有没有质量。如果它们的质量不小，那可能暗物质其实就是宇宙中出现的大量中微子。中微子的相互作用很弱，因此这个推断是有可能的。只可惜，经过中微子振**实验，我们知道了中微子的确是有质量的，但是它的质量小得不可思议，宇宙中所有可能存在的中微子加在一起都无法解释额外多出的大量物质。因此，中微子从暗物质候选名单中剔除了出去。
还有一种可能性人们已经接受了很长时间，即暗物质粒子可能是最轻的超对称粒子。超对称性这个理论概念非常吸引人，而且解释了粒子物理学标准模型的很多空缺。但是，截至撰写本章节时，还没有实验能证明它。相反，大型强子对撞机做的实验越多，这个观点成立的可能性就越低。
时至今日，暗物质的确切性质依然是个谜。它是某种奇怪的超对称粒子，还是属于某种完全未知、有待发现的新基本粒子？也许只是我们的引力方程出了错，让我们误以为宇宙中有一种看不见摸不着的东西，其实它压根不存在？也许它是我们没预料到的一种奇怪的量子引力效应？
我们只知道有什么东西不对劲。在我们弄明白到底怎么回事之前，这将是我们宇宙中的一个未解之谜。
